多段進水A/O生物接觸氧化工藝模擬

吳 沛,朱繼濤,顧 鑫,張 凱,冷峻彤,王子捷,胡 博*

(1. 長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061； 2. 長安大學(xué) 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部給水排水重點實驗室，陜西 西安 710061)

0 引 言

多段進水缺氧/好氧(Anoxic/Oxic，A/O)生物脫氮工藝是一種基于傳統(tǒng)A/O工藝改進的生物脫氮工藝[1]。多段進水A/O生物脫氮工藝由多個缺氧和好氧反應(yīng)單元交替變化組成，進水分多點進入工藝的缺氧池, 為缺氧池發(fā)生的反硝化過程提供碳源[2]。工藝不同反應(yīng)單元內(nèi)的微生物濃度呈階梯分布[3]。進水碳氮比(C/N)、進水流量分配、缺氧池和好氧池的容積分配等都是影響多段進水A/O生物脫氮工藝運行性能的關(guān)鍵因素[2-3]。多段進水A/O生物脫氮工藝可采用生物膜法和活性污泥法運行。與活性污泥法相比，生物膜法由于無需污泥回流、不存在污泥膨脹等問題，在運行和管理上都更為方便[4]。在生物膜工藝中，底物的降解過程受生化反應(yīng)動力學(xué)、液-固界面?zhèn)髻|(zhì)等過程影響，這些過程彼此相互聯(lián)系又相互制約[5]，使得污染物在生物膜中的降解機制較為復(fù)雜，工藝設(shè)計只能依賴經(jīng)驗公式或半經(jīng)驗公式[6]。

隨著國際水協(xié)會推出活性污泥系列數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型已成為一種重要的研究手段被廣泛應(yīng)用于污水生物處理工藝的數(shù)值模擬和優(yōu)化設(shè)計[7-8]?；钚晕勰?號數(shù)學(xué)模型(ASM1)于1987年提出，包含快速可生物利用基質(zhì)、慢速可生物利用基質(zhì)、自養(yǎng)菌、異養(yǎng)菌、氨氮、硝態(tài)氮等13個反應(yīng)組分，以及異養(yǎng)菌好氧生長、異養(yǎng)菌缺氧生長、自養(yǎng)菌好氧生長、異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌衰減等8個生化反應(yīng)過程，可描述好氧和缺氧條件下的碳氧化過程以及自養(yǎng)硝化過程和異養(yǎng)反硝化過程[9]。生物膜數(shù)學(xué)模型的研究始于20世紀80年代，模型發(fā)展經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜，從一維到多維，從穩(wěn)態(tài)到動態(tài)的過程。目前，一維連續(xù)模型、DLA模型(Diffusion-limited Aggregation Model)、細胞自動機模型等都已被應(yīng)用于生物膜工藝的數(shù)值模擬[10]。在生物膜工藝中，污染物需要先通過擴散過程進入生物膜內(nèi)部，與微生物接觸后，才能被利用和降解。因此，在生物膜系統(tǒng)中，除了要考慮基質(zhì)限制之外，還需要考慮擴散過程對污染物降解過程的影響。對于建模而言，在滿足需求的前提下，模型應(yīng)做到盡可能地簡單，以便于求解和應(yīng)用[11]。

本研究基于ASM1模型，通過將描述物質(zhì)擴散過程的Fick擴散定律與ASM1模型結(jié)合，采用生物膜零級反應(yīng)動力學(xué)的半級反應(yīng)解作為生物膜系統(tǒng)生化反應(yīng)的過程速率，構(gòu)建可用于模擬多段進水A/O生物膜脫氮工藝的動力學(xué)模型，并采用三段進水A/O生物接觸氧化工藝對模型進行校驗和驗證；最終，采用建立的動力學(xué)模型對多段進水A/O生物接觸氧化工藝的進水流量分配進行優(yōu)化，以期能夠提升工藝的運行性能。

1 材料與方法

1.1 生物膜零級反應(yīng)動力學(xué)模型的構(gòu)建

假設(shè)生物膜為理想生物膜，并對生物膜工藝的反應(yīng)過程進行以下簡化：①忽略氨化過程，假設(shè)微生物衰減產(chǎn)生的有機氮直接轉(zhuǎn)化為氨氮；②化學(xué)需氧量(COD)對硝化過程有抑制作用；③好氧池與缺氧池的泥齡不同；④生物膜中發(fā)生的生化反應(yīng)過程條件及模型的邊界條件與ASM1模型一致。模型組分包括易生物降解基質(zhì)(SS)、慢速可生物降解基質(zhì)(XS)、異養(yǎng)菌(XB,H)、自養(yǎng)菌(XB,A)、微生物衰減的顆粒態(tài)產(chǎn)物(XP)、溶解氧(SO)、硝態(tài)氮(SNO)和氨氮(SNH)。模型的生化反應(yīng)過程包括慢速可生物降解有機物水解過程、異養(yǎng)菌好氧生長過程、異養(yǎng)菌缺氧生長過程、異養(yǎng)菌衰減過程、自養(yǎng)菌好氧生長過程和自養(yǎng)菌衰減過程。由于溶解性不可生物降解性基質(zhì)(SI)和顆粒態(tài)不可生物降解基質(zhì)(XI)對生化過程無影響，為了簡化模型，在構(gòu)建模型中不考慮這兩個組分。此外，由于進水中堿度充足，模型組分中也不考慮堿度(SALK)對生化反應(yīng)的影響。此外，由于氨化速率難以獲取[12]，為了簡化模型中氮的轉(zhuǎn)化過程，故氨化過程也從模型中略去。

在生物膜工藝中，液相中的基質(zhì)會通過擴散作用進入生物膜內(nèi)，微生物利用擴散到生物膜的基質(zhì)實現(xiàn)自身增殖。根據(jù)基質(zhì)進入生物膜深度的不同，基質(zhì)可分為完全穿透生物膜基質(zhì)和部分穿透生物膜基質(zhì)。對于完全穿透生物膜基質(zhì)，基質(zhì)可通過擴散作用抵達載體表面；對于部分穿透生物膜基質(zhì)，基質(zhì)僅能穿透一定厚度的生物膜，并不能完全穿透生物膜抵達載體表面[13]。對于部分穿透生物膜基質(zhì)，生物膜中發(fā)生生化反應(yīng)速率的大小將受到傳質(zhì)阻力的影響和限制。穩(wěn)態(tài)條件下，生物膜內(nèi)距離膜表面z處的基質(zhì)濃度表達式[14]為

(1)

式中：z為生物膜內(nèi)距離膜表面的距離(m)；S為生物膜內(nèi)距離膜表面z處的基質(zhì)濃度(g·m-3)；Df為生物膜內(nèi)的基質(zhì)擴散速率(m2·d-1)；rf為反應(yīng)速率(g·m-3·d-1)。

基于生物膜零級反應(yīng)動力學(xué)，以及穩(wěn)態(tài)條件下生物膜內(nèi)污染物的降解量與通過生物膜表面進入生物膜的基質(zhì)相等，生物膜內(nèi)基質(zhì)降解速率計算公式為

(2)

根據(jù)式(2)，假設(shè)生物膜中的微生物由異氧菌和自養(yǎng)菌組成，異養(yǎng)菌所占比例為fH，自養(yǎng)菌為1-fH。考慮電子受體濃度對反應(yīng)速率的影響，多基質(zhì)多種類微生物生物膜反應(yīng)動力學(xué)模型的系數(shù)矩陣見表1，模型的反應(yīng)過程速率見表2。除擴散系數(shù)外，模型中其他化學(xué)計量系數(shù)與動力學(xué)參數(shù)的意義及取值均與ASM1模型[9]相同。

表1 模型化學(xué)計量矩陣

表2 模型的反應(yīng)過程速率

1.2 試驗裝置

三段進水A/O生物接觸氧化工藝的試驗裝置采用有機玻璃制成[15](圖1)。采用組合填料作為微生物生長的載體，總體積為44 L，將其等分為4部分，每部分體積為11 L(圖2)。最后一段用作沉淀池，其余3段作為反應(yīng)段。每一反應(yīng)段均由一個缺氧池(A池)和一個好氧池(O池)組成，缺氧池與好氧池的總體積比為2∶3，其中3個反應(yīng)段內(nèi)缺氧池與好氧池之間、各段之間均使用隔板分隔。進水流量Q為0.916 7 L·h-1，水力停留時間為48 h，其中反應(yīng)段的水力停留時間為36 h，沉淀池的水力停留時間為12 h。各段進水流量分配系數(shù)r1、r2和r3均為0.333 3，各段進水流量分別以Q1、Q2和Q3進入各段缺氧池。同時，設(shè)置回流系統(tǒng)，將經(jīng)沉淀池沉淀后的出水回流至第1段缺氧池，回流比(R)分別為0.50、0.75和1.00。

圖1 試驗裝置

圖2 三段進水A/O生物接觸氧化工藝圖

1.3 試驗水質(zhì)

試驗進水為人工模擬的高濃度生活污水，進水水質(zhì)見表3，配水組分見表4。有機碳、氮和磷分別由C6H12O6·H2O、NH4HCO3和KH2PO4提供。進水中加入適量NaHCO3補充堿度，微量元素的添加與Cheong等的研究[16]相同。進水COD的組成采用耗氧速率(OUR)間歇實驗進行測定，其中SS占COD的比例為95%，XS占COD的比例為5%。

表3 試驗進水水質(zhì)

表4 試驗配水組分

1.4 分析項目及分析方法

1.5 模型的驗證和校驗

經(jīng)過約3個月的運行，三段進水A/O生物膜工藝各池生物膜的厚度、生物量及出水水質(zhì)基本達到穩(wěn)定。由于好氧池中氣流和水流對生物膜的沖刷作用強于缺氧池，好氧池生物膜的脫附速率大于缺氧池生物膜，好氧池生物膜的泥齡短于缺氧池生物膜。采用回流比為0.5時反應(yīng)器達到穩(wěn)定處理效果的結(jié)果對模型進行驗證，并采用回流比為1.0時的反應(yīng)器運行結(jié)果對模型進行校驗。模型特征參數(shù)取值見表5。

表5 模型特征參數(shù)的取值

1.6 進水流量分配系數(shù)的優(yōu)化

以試驗水質(zhì)(COD為1 000 mg·L-1，硝態(tài)氮濃度為100 mg·L-1)為模型的進水水質(zhì)，采用校驗后的模型對內(nèi)回流比為1.0時，不同流量分配系數(shù)下工

藝的運行結(jié)果進行模擬。模擬工況見表6。

表6 模擬的三段進水A/O生物接觸氧化工藝進水流量分配系數(shù)

2 結(jié)果分析與討論

2.1 穩(wěn)態(tài)條件工藝運行結(jié)果

當(dāng)各段的進水流量分配系數(shù)均為0.333 3，回流比分別為0.50、0.75和1.00時，三段進水A/O生物接觸氧化工藝對高濃度生活污水具有較好的處理效果(圖3)?；亓鞅确謩e為0.50、0.75和1.00時，出水總氮分別為18.72 mg·L-1、14.77 mg·L-1和13.58 mg·L-1，對應(yīng)的總氮去除效率分別為82.84%±0.31%、85.36%±0.49%和86.12%±1.83%。工藝的總氮去除效率隨回流比的增大而增大?；亓鞅鹊拇笮Q定了從第3段回流進入第1段缺氧池進行反硝化的硝態(tài)氮的量?；亓鞅仍酱?，進入第1段缺氧池參與反硝化的硝態(tài)氮越多，工藝的總氮去除效率越高。但是過高的回流比會導(dǎo)致生化反應(yīng)有效反應(yīng)時間減小，反而會降低工藝的總氮去除效率[18]。此外，回流液中的溶解氧進入缺氧池會破壞缺氧環(huán)境, 使反硝化細菌活性降低, 抑制了反硝化細菌的生長繁殖,導(dǎo)致反硝化作用降低[19]，實際工藝運行過程中的回流比不宜過大。進水進入各段缺氧池會使缺氧池出水的COD和氨氮濃度升高，在經(jīng)過后續(xù)的好氧池降解和氧化后，工藝出水的COD和氨氮濃度維持在較低水平。

1A、2A、3A分別表示缺氧池的3個反應(yīng)段；1O、2O、3O分別表示好氧池的3個反應(yīng)段

當(dāng)三段進水A/O生物接觸氧化工藝的回流比為0.75～1.00時，工藝的總氮去除效率較高，大于85%。與其他進水碳氮比為10的多段進水A/O生物脫氮工藝[3]相比，本研究的總氮去除效率略低。其原因有以下兩點：①本研究采用的進水流量和容積分配并非最優(yōu)。最佳的流量分配系數(shù)條件下，進入各段缺氧池的COD應(yīng)恰好將上一段好氧池產(chǎn)生的硝態(tài)氮完全反硝化，從而使得工藝可以達到最大的總氮去除效率。本研究進水的碳氮比為10，碳源充足，工藝前段的進水流量應(yīng)高于后段的進水流量，工藝才可達到較高的總氮去除效率[20]。②從實驗結(jié)果來看，由于進水流量分配并非最優(yōu)，缺氧池出水的總氮高于氨氮濃度，硝態(tài)氮去除不徹底，會累積至出水導(dǎo)致工藝總氮去除效率降低。通過對進水流量和反應(yīng)段容積進行優(yōu)化分配后，多段進水A/O生物脫氮工藝的總氮去除效率可得到明顯提升[15]。

2.2 模型的驗證和校驗

采用回流比為0.5時的試驗結(jié)果對建立模型進行驗證表明，模型取用的參數(shù)數(shù)值合適，模型的預(yù)測值和試驗實測值吻合度較高，僅A段COD的預(yù)測值和模擬值出現(xiàn)了一定的偏差(圖4)。缺氧池屬于低溶解氧環(huán)境，當(dāng)有COD和硝態(tài)氮存在時會發(fā)生反硝化反應(yīng)。生物膜結(jié)構(gòu)獨特，外層形成缺氧環(huán)境，由于溶解氧無法擴散至生物膜深層，生物膜內(nèi)部會形成厭氧環(huán)境[12]。COD可能會通過厭氧發(fā)酵途徑降解，而本研究建立的模型中并不包括COD的厭氧降解過程，因此，缺氧池的COD模擬值與實測值之間存在一定偏差。

采用回流比為1.0時的試驗數(shù)據(jù)對本研究建立的模型進行校驗表明，模型能較好地模擬三段進水A/O生物接觸氧化工藝的運行結(jié)果，可以較好地模擬各單元出水的氨氮、硝態(tài)氮濃度和COD(圖4)。在校驗工況下，除第1段好氧池總氮外，模型預(yù)測的COD、氨氮濃度和總氮與實測值吻合度較高。生物膜的獨特結(jié)構(gòu)使生物膜內(nèi)部能夠在好氧條件下維持缺氧微環(huán)境，在此情況下生物膜內(nèi)部會發(fā)生同步硝化反硝化過程[21]，使得試驗得到的好氧池出水硝態(tài)氮濃度低于模擬值。本研究建立的模型并未考慮同步硝化反硝化過程，導(dǎo)致總氮的模擬結(jié)果和實測結(jié)果產(chǎn)生了一定偏差。此外，工藝出水COD實測值略高于模擬預(yù)測值。為簡化模型，本研究建立的模型中有機物組分僅包含SS和XS，對于生化反應(yīng)過程沒有影響的SI和XI組分并未包含在模型中，然而在實際的出水中含不可生物降解的有機物[13]，導(dǎo)致實際工藝出水COD比模型預(yù)測值略高。

1A、2A、3A分別表示缺氧池的3個反應(yīng)段；1O、2O、3O分別表示好氧池的3個反應(yīng)段

2.3 進水流量分配系數(shù)的優(yōu)化

采用校驗后的模型對不同流量分配系數(shù)條件下三段進水A/O生物接觸氧化工藝的模擬表明，當(dāng)進水碳氮比為10，回流比為1，r1∶r2∶r3=0.5∶0.3∶0.2時，工藝的總氮去除效率高于其他工況(圖5)。隨著第1段進水流量分配系數(shù)的增加和第3段進水流量分配系數(shù)的減小，雖然第1段缺氧池出水的COD、氨氮濃度和總氮增加，但最終工藝的出水總氮下降，工藝的脫氮效率提升。然而，進入第1段的進水流量不能過大，否則會使得進入第2段和第3段的進水中含有的COD不足以將上一段好氧池產(chǎn)生的硝態(tài)氮完全反硝化，最終積累至出水，導(dǎo)致工藝總氮去除效率降低，如表6中的工況1。同樣地，當(dāng)過量的污水被分配至第3段時，由于好氧池產(chǎn)生的硝態(tài)氮僅有部分能回流至第1段缺氧池進行部分去除，工藝的總氮去除效率也會下降。

1A、2A、3A分別表示缺氧池的3個反應(yīng)段；1O、2O、3O分別表示好氧池的3個反應(yīng)段

3 結(jié) 語

(1)多段進水A/O生物接觸氧化工藝對高濃度生活污水的COD、氨氮和總氮有很好的處理效果。工藝的內(nèi)回流比控制在0.75～1.00時，工藝的總氮去除效率大于85%。

(2)當(dāng)進水碳氮比為10，回流比為1，三段進水A/O生物接觸氧化工藝的流量分配系數(shù)分別為0.5、0.3和0.2時，工藝可以取得最大的總氮去除效率。

(3)基于活性污泥1號數(shù)學(xué)模型(ASM1)，結(jié)合Fick擴散定律建立的多段進水A/O生物膜工藝數(shù)學(xué)模型能夠用于模擬多段進水A/O生物接觸氧化工藝的運行和對工藝進水流量分配系數(shù)的優(yōu)化。